BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan yang paling penting untuk
menunjang kehidupan manusia saat ini. Penyaluran energi listrik konvensional dalam memenuhi
kebutuhan masyarakat
dihasilkan
melalui
pusat-pusat
pembangkit besar di sejumlah lokasi. Tegangan dari pembangkit listrik dinaikkan ke tingkat tegangan tinggi, tegangan ekstra tinggi ataupun tegangan ultra tinggi kemudian dikirimkan menempuh jarak yang jauh melalui jaringan transmisi. Tegangan tinggi pada jaringan transmisi sebelum dapat digunakan oleh pengguna, akan diturunkan ke tingkat tegangan menengah dan tegangan rendah melalui jaringan distribusi [1]. Salah satu tanggung jawab perusahaan listrik
terhadap operasi sistem
adalah mengendalikan tegangan dalam keadaan stabil dan dapat diterima dalam batasan nominal sepanjang waktu. Hal ini dimaksudkan agar peralatan listrik dan mesin dapat beroperasi dan memberikan kinerja secara optimal jika disuplai pada batasan tegangan nominalnya. Pengoperasian sistem tenaga listrik sangat diharapkan dapat berjalan dengan optimal dan melayani konsumen yang handal, namun pada kenyataannya ada berbagai persoalan yang terjadi termasuk diantaranya besarnya impedansi jaringan dan pembebanan sistem yang selalu berubah. Persoalan tegangan tidak hanya terletak pada sisi penyaluran distribusi tetapi juga terletak pada seluruh bagian-bagian sistem tenaga listrik, seperti sisi pembangkitan maupun saluran transmisi [2]. Saluran transmisi memiliki suatu sistem kompleks dengan karakteristik yang berubah-ubah sesuai dengan keadaan sistem itu sendiri. Hal ini disebabkan oleh pengaruh peubah operasional semakin kompleks, pertumbuhan beban yang sangat besar, penambahan jenis pembangkit yang bervariatif dan perluasan penyulang. Melihat semua kondisi persoalan yang dijabarkan, maka pengaturan tegangan menjadi suatu keharusan pada sistem tenaga listrik [3].
Beberapa tahun terakhir, perkembangan pembangkit tersebar (Distributed Generation/DG) dengan berbagai alasan akan meningkat secara signifikan. Integrasi DG dapat memberikan kontribusi yang positif bagi sistem operasi jaringan listrik karena mampu menyediakan keuntungan dari segi teknis, ekonomis dan lingkungan [4][5]. Namun, hal ini menjadikan tantangan yang baru dalam sistem ketenagalistrikan yang direncanakan tanpa memperhatikan ada tidaknya pemasangan DG, terutama pada pengaturan tegangan [6]. Operasi dan kendali penyulang sistem distribusi radial konvensional diatur berlandaskan tegangan akan terus menurun dari gardu ke sepanjang penyulang yang jauh. Namun, integrasi DG ke sistem dapat menyebabkan landasan ini tidak berlaku. DG dapat menyebabkan kenaikan atau penurunan profil tegangan sehingga akan berpengaruh terhadap operasi peralatan pengatur tegangan seperti On Load Tap Changer (OLTC) dan Shunt Capacitors (SCs) yang terlebih dahulu terpasang pada sistem distribusi [6][7]. Photovoltaic (PV) merupakan salah satu DG yang bersumberkan energi terbarukan dengan memanfaatkan teknologi dalam mengubah sinar matahari untuk menghasilkan listrik. PV memiliki daya keluaran pembangkit yang intermittent bergantung pada kondisi musim, kelembapan, temperatur, pergerakan awan dan kondisi cuaca lainnya sehingga tidak menghasilkan listrik pada saat malam atau cuaca mendung [8]. Kondisi ini dapat memungkinkan terjadinya gangguan dalam kualitas daya listrik seperti fluktuasi tegangan di sistem, baik distribusi maupun transmisi tenaga listrik. Berdasarkan [9] mengenai batasan standar gangguan fluktuasi tegangan yang terjadi pada sistem distribusi, diteruskan oleh Engineering Recommendation P28 [10] dinyatakan bahwa fluktuasi tegangan pada sistem distribusi : batasan umumnya adalah 3% pada perubahan profil tegangan yang diizinkan, terlepas dari bentuk yang disebabkan oleh fluktuasi beban yang telah terjadi selama bertahuntahun sebelumnya dalam mengendalikan tegangan sistem. Dengan alasan ini batasan umum ini dipertahankan meskipun perubahan tegangan lebih dari 3%, jika frekuensi cukup rendah, mungkin tidak memberikan kedip tegangan (𝑃𝑠𝑡 ) yang parah dan melebihi batasan dalam rekomendasi ini.
Umumnya pembangkit PV beroperasi dengan faktor daya konstan, sehingga hanya daya aktif yang diproduksi. Jika pembangkit PV diizinkan menginjeksikan daya reaktif, situasi yang berbeda akan timbul tergantung pada strategi pengendalian yang diadopsi oleh injeksi daya reaktif. Besaran dan arah aliran daya reaktif melalui penyulang, variasi tegangan, beban penyulang dan rugi-rugi jaringan juga akan berbeda untuk setiap strategi pengendalian yang diterapkan [11]. Oleh karena itu, pembangkit PV dapat dimanfaatkan sebagai salah satu dukungan daya reaktif yang dibutuhkan oleh sistem tenaga listrik. Variasi beban dan keluaran daya pembangkit PV yang selalu berubah sepanjang waktu menjadikan karakteristik sistem distribusi dan transmisi dibutuhkan untuk dipelajari lebih lanjut. Penelitian ini akan mendiskusikan mengenai dampak keluaran daya PV yang intermittent dan variability masingmasing profil beban terhadap profil tegangan sistem distribusi dan transmisi. Profil beban yang digunakan dalam penelitian ini meliputi profil beban perumahan, industri dan komersial. Penelitian ini menggunakan analisis jaringan distribusi dan transmisi dibawah penetrasi tinggi sumber pembangkit PV. Selain itu, operasi pembangkit PV sebagai dukungan daya reaktif yang optimal dipertimbangkan menjadi salah satu solusi dalam mengatasi fluktuasi tegangan sebagai suatu permasalahan di sistem distribusi dan transmisi. Pengaturan tegangan diharapkan mampu menjaga tegangan sistem sehingga masih berada dalam batasan operasi menggunakan simulasi OpenDSS dan MATLAB. Dalam penelitian ini akan digunakan modifikasi sistem yang mengintegrasikan sistem transmisi dan distribusi yang telah tersambung DG [12]. Penelitian ini akan membandingkan profil tegangan sistem distribusi dan transmisi tanpa adanya pemasangan PV dan adanya integrasi PV ke sistem. Selain itu, akan diberikan solusi penentuan optimal daya reaktif DG terhadap fluktuasi tegangan sistem distribusi dan transmisi menggunakan metode nature inspired metaheuristic algorithm terbaru yaitu Flower Pollination Algorithm (FPA).
1.2
Perumusan masalah Sebagaimana dijelaskan dalam latar belakang, permasalahan yang diangkat
dalam penelitian ini yaitu : 1.
Bagaimanakah perbandingan profil tegangan dan fluktuasi tegangan sistem tanpa adanya DG dan dengan adanya integrasi DG ke sistem.
2.
Bagaimanakah pengaruh pemasangan PV yang intermittent dan variability profil beban perumahan, industri dan komersial terhadap profil dan fluktuasi tegangan pada sistem distribusi dan transmisi.
3.
Bagaimanakah mode sinergi DG terhadap interaksi sistem distribusi dan transmisi. Dapatkah sumber daya reaktif dari pembangkit PV optimal berperan serta sebagai salah satu solusi dalam pengaturan tegangan sistem dan mengurangi fluktuasi tegangan sistem distribusi dan transmisi.
1.3
Keaslian penelitian Penelitian akan pengaturan tegangan sistem distribusi listrik telah banyak
dikembangkan, baik itu tanpa ataupun dengan adanya pemasangan DG dan strategi pengendalian yang berbeda. Peneliti [13] menggunakan metode pemrograman dinamis dalam menyelesaikan permasalahan kendali tegangan dan daya reaktif pada sistem distribusi tanpa adanya pemasangan DG. Permasalahan posisi tap OLTC dan kapasitor sistem distribusi dirumuskan secara matematis sebagai masalah optimasi. Kemudian pendekatan pemrograman dinamis digunakan dalam mengatasi masalah tersebut. Untuk menunjukan metode yang digunakan berjalan secara efektif, metode ini diujikan pada transformator utama dan lima penyulang sistem distribusi dalam area layanan Yunlin District Office, Taiwan Power Company. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa profil tegangan meningkat dengan adanya penggunaan OLTC, rugi-rugi total penyulang dapat diminimalkan dan aliran daya reaktif menuju transformator utama dapat dikendalikan dengan adanya operasi switching kapasitor.
Integrasi skema kendali tegangan menggunakan OLTC, MechanicallySwitched Capacitor and Static Condenser (STATCON) di sistem distribusi tanpa adanya pemasangan DG dilakukan oleh peneliti [14]. Sistem diujkan di pusat beban Commonwealth Edison Power System dengan area pertumbuhan beban yang cepat. Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa koordinasi perangkat kendali tegangan dapat meningkatkan profil tegangan dan pengurangan jumlah operasi switching mekanis di gardu, sehingga dapat mengurangi kekhawatiran pemeliharaan secara keseluruhan. Meskipun, studi yang dilakukan berfokus pada penerapan STATCON, hasil yang diperoleh pada peneltian ini dapat diterapkan pada kendali tegangan Static Var Compensator (SVC). Akhir-akhir ini penelitian tentang DG semakin diminati, dimana DG yang menggunakan sumber energi baru dan terbarukan, ramah terhadap lingkungan merupakan salah satu sumber energi listrik masa depan, selain itu pemasangan DG juga bisa memperbaiki aliran daya, profil tegangan, dan kualitas tenaga listrik, Peneliti [15] menjelaskan secara detail bagaimana pengaruh rekonfigurasi jaringan dapat mengurangi rugi-rugi daya saluran. Pemasangan kapasitor juga menjadi alternatif solusi dalam mengurangi rugi daya. Metode penempatan kapasitor serta ukuran yang tepat memberikan pengurangan rugi daya. Bagian akhir, penulis memperkenalkan metode baru yaitu pemasangan DG juga menjadi solusi dalam mengurangi rugi-rugi daya. Rugi daya berhubungan dengan tingkat efisiensi pengiriman daya ke konsumen, semakin tinggi rugi-rugi maka efisiensi akan semakin menurun dan sebaliknya. Hal lain yang diungkapkan peneliti bahwa jatuh tegangan dipengaruhi oleh panjangnya jaringan distribusi radial yang melayani beban yang besar. Hal ini juga senada dengan penelitian yang dilakukan oleh [16] yang menyatakan bahwa penempatan DG pada sistem distribusi akan mengakibatkan pengurangan rugi-rugi daya. Peneliti [17] menggunakan pendekatan probabilistic dan nonprobabilistic dalam memperbaiki profil tegangan jaringan distribusi, dengan mengoptimalkan lokasi, ukuran dan faktor daya dari turbin angin. Pendekatan probabilistic sedikit lebih akurat tetapi lebih rumit. Kedua metode menunjukkan bahwa peningkatan
profil tegangan ketika kapasitas DG dinaikan atau dipindahkan kesuatu lokasi yang lebih dekat dengan beban. Penelitian ini menunjukan tegangan pada beban mengalami peningkatan sebesar 0,05 p.u ketika jarak DG dari beban dirubah dari 80% menjadi 0%. Penelitian ini juga menunjukan bahwa tegangan pada beban meningkat sebesar 0,01 p.u, ketika daya yang dibangkitkan turbin angin dinaikan dari 0,08 p.u menjadi 0,32 p.u. Peneliti [18] melakukan penelitian tentang pengaruh DG yang kapasitas dan lokasi penempatan juga bisa meningkatkan kestabilan tegangan pada jaringan distribusi. Analisis dilakukan dengan mengevaluasi indeks kestabilan tegangan dalam keadaan tunak pada masingmasing simpul dari sistem distribusi (perhitungan aliran daya dengan metode Newton-Raphson). Kapasitas optimal dan lokasi-lokasi yang berbeda untuk melihat pengaruh penempatan DG. Integrasi DG dengan jaringan distribusi dapat mengubah perilaku jaringan. Peneliti [19] mempelajari mengenai kinerja jaringan distribusi dengan adanya penetrasi pembangkit PV terhadap penyulang distribusi tenaga listrik. Maximum Voltage Deviation Index (MVDI), Average Feeder Loading Index (AFLI), Substation Reserve Capacity Index (SRCI) dan Feeder Loss-to-Load Ratio (FLLR) dikembangkan dalam menilai kinerja jaringan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penetrasi pembangkit PV sampai presentase tertentu dapat bermanfaat dalam membantu kinerja sistem distribusi. Selain itu, berbagai strategi pengendalian daya diterapkan dalam mengetahui dampak peningkatan penetrasi PV. Strategi pengendalian mode faktor daya ditemukan sebagai kendali yang lebih efektif dalam mengurangi aliran daya reaktif jaringan, membantu mengurangi beban penyulang dan rugi-rugi daya jaringan. Penelitian ini akan digunakan pembangkit PV sebagai DG yang bersumber dari energi terbarukan dengan daya keluaran yang intermittent dapat berpengaruh terhadap profil tegangan sistem dan menimbulkan permasalahan fluktuasi tegangan. Diberikan salah satu solusi dengan mengoptimalkan kemampuan daya reaktif dari pembangkit PV menggunakan nature inspired metaheuristic algorithm terbaru yaitu FPA.
1.4
Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan masalah maka tujuan yang ingin dicapai yaitu :
1.
Mengetahui perbandingan profil tegangan dan fluktuasi tegangan sistem distribusi dan transmisi sebelum dan setelah adanya pemasangan DG.
2.
Menganalisis pengaruh pemasangan DG yang intermittent dan variability beban perumahan, industri dan komersial terhadap profil tegangan dan fluktuasi tegangan sistem distribusi dan transmisi tenaga listrik.
3.
Mengoptimalkan daya reaktif DG yang terhubung pada jaringan distribusi menggunakan metode FPA dengan tujuan mengurangi fluktuasi tegangan yang timbul pada bus sistem distribusi dan transmisi tenaga listrik.
1.5 1.
Manfaat Penelitian Memberikan referensi mengenai pengaturan tegangan sistem distribusi dan transmisi dengan pemasangan DG.
2.
Memperkaya ilmu pengetahuan yang ada, khususnya dalam bidang peningkatan efisiensi, pengoptimalan pengaturan tegangan dan kualitas penyaluran daya listrik kepada konsumen.
3.
Mendorong perkembangan DG dan penyusunan kebijakan saat proses penyediaan energi listrik berdasarkan sumber energi terbarukan.
4.
Memberikan gambaran mengenai permasalahan tegangan sistem distribusi dan transmisi dengan adanya pemasangan DG dan diberikan salah satu solusi yang dapat dilakukan untuk menangani masalah tersebut.
